特斯拉的電池優(yōu)化計劃

引言

隨著萬眾矚目的特斯拉電池日召開，我們也看到了特斯拉面臨的兩大問題，面向未來2030年，特斯拉思考問題是從整個能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，第一個挑戰(zhàn)是對于電池的需求是按照10TWH折合（10萬GWh），現(xiàn)有電池企業(yè)的規(guī)劃都遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足要求；第二個挑戰(zhàn)低成本的需求，按照現(xiàn)有電芯成本的下降幅度，是沒辦法滿足電池在各行的滲透；因此特斯拉在電池日也是第一次正式介入電池生產(chǎn)，通過到電芯層面的垂直整合，這次特斯拉給我們帶來的解決辦法，是整體創(chuàng)新圍繞著電芯設(shè)計、工藝、設(shè)備、材料、電芯成組進行，其結(jié)果有望大幅提升續(xù)航里程，降低電芯的成本和降低電池生產(chǎn)單GWh的投資。

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特斯拉Battery Day 對于普通消費者的意義

在這次電池日中，最重要的一點就是埃隆·馬斯克（Elon Musk）想要干什么？

1）他要制造足夠的多電池，一方面通過現(xiàn)有供應(yīng)商來提供，一方面要自己下場來造電池，未來特斯拉把車價做的足夠低的時候，要滿足全世界人民對于特斯拉的電動汽車的需求

2）他要使電池的成本降低一半，幫助特斯拉在三年內(nèi)制造出令人信服的25,000美元的電動汽車，這個25000美金的目標(biāo)是在2018年說的，過了3年之后，自己不做電池這個事情是做不到的

3）特斯拉的一頓操作，一方面把公司的想象空間拉到最高，一方面也試圖把電動汽車不斷往下壓到普通消費者能負(fù)擔(dān)得起的價格，這個價格和全球大部分中型燃油車的價格是相匹配的。如果比較全生命周期的成本，則有更大的優(yōu)勢。我們通常在說要到2025年讓電動汽車和燃油車平價，這次電池日Elon Musk主要是就這個目標(biāo)展開的。

特斯拉電池是什么樣的？

特斯拉今天把整個電池矩陣給說清楚了，如下圖1所示，特斯拉的產(chǎn)品和對應(yīng)的電池選擇有了一個清晰的路徑。

1）長循環(huán)壽命：這是特斯拉規(guī)劃的入門級產(chǎn)品和儲能站，優(yōu)先考慮使用壽命（充放電次數(shù)），電池會主要考慮使用磷酸鐵鋰電池?？梢灶A(yù)期的是，基于磷酸鐵鋰電池的入門級車型就是特斯拉所說的25000美金車型電池選擇 2）長續(xù)航（中級產(chǎn)品）：這是特斯拉根據(jù)客戶的需求，優(yōu)先考慮續(xù)航里程的長度，電池需要較高的能量密度，目前是圍繞鎳和錳來做的無鈷電池，這個是產(chǎn)業(yè)里面比較期待的，特斯拉沒有給出具體的答案

3）重量敏感的產(chǎn)品（高端產(chǎn)品）：在皮卡、重卡領(lǐng)域，由于需要考慮帶載能力，所以優(yōu)先考慮性能，需要采用高鎳電池，這也是特斯拉目前重要自主開發(fā)的領(lǐng)域

第一類產(chǎn)品，主要由中國電池企業(yè)所把控；第二類產(chǎn)品目前主要是松下和LG 化學(xué)提供，第三類是特斯拉自研的，所以特斯拉在電池產(chǎn)品線上構(gòu)建了圍繞壽命、里程和重量敏感三個維度去優(yōu)化自己的電池結(jié)構(gòu)。

圖1 特斯拉的產(chǎn)品路徑

02

特斯拉五方面開展自己的電池優(yōu)化計劃

特斯拉這次在創(chuàng)新層面，主要通過以下的不同層次來展開的，獨特的電芯設(shè)計、自研的電芯生產(chǎn)工藝、基于硅負(fù)極材料、基于高鎳的正極材料和電芯車輛集成化設(shè)計等方面來實現(xiàn)的多環(huán)節(jié)的綜合創(chuàng)新，從而實現(xiàn)能量密度大幅提升，續(xù)航里程大幅提升，單位成本及投資額大幅下降。

圖2 特斯拉的五個創(chuàng)新點

從特斯拉公布的路徑來看，一方面特斯拉有信心在續(xù)航里程提升54%（電芯設(shè)計、負(fù)極、正極及電芯底盤集成分別貢獻提升16%、20%、4%、14%）；單位成本下降56%（電芯設(shè)計、電芯工廠、負(fù)極、正極及電芯底盤集成分別貢獻下降14%、18%、5%、12%、7%），也就是預(yù)期電芯的成本可以從2021年的100美金/kwh下降到2025年56美金/kwh；而單位投資額下降69%，這代表特斯拉可以大幅提高自己的產(chǎn)線能力，自己制造更多的電芯（五項措施帶來的貢獻下降7%、34%、4%、16%、8%）。

圖3 特斯拉需求的成本

在這個具體措施里面，比較能落地和現(xiàn)實的地方在于：

1）4680大圓柱電池：從18650到21700再到46800，特斯拉的優(yōu)選路徑還是圓柱電芯，這次直徑46mm，高度80mm，容量可提升5倍，續(xù)航提升16%，成本下降14%。這里最大的挑戰(zhàn)是快充速度，由于體積變大，電芯內(nèi)部的熱量在超級快充散熱很難解決，所以這里通過創(chuàng)新無極耳設(shè)計，降低電流距離實現(xiàn)內(nèi)阻下降。這種電芯的發(fā)展路徑，最主要是基于特斯拉基于在圓柱模組設(shè)計和制造的積累。

圖4 特斯拉的大圓柱電芯技術(shù)

2）電芯整合技術(shù) 和電芯技術(shù)相匹配的是特斯拉這一次采用了電池系統(tǒng)集成的方式，在原有的設(shè)計里面，特斯拉是把電池分為4個模組，而這一次電動皮卡對于電池能量需求實在太大，所以這里把電芯直接放在底盤上，下面采用鋁板做防撞結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計大大提高了電芯集成的效率（電芯集成至底盤，重量減少10%，續(xù)航提升14%，成本下降7%。）

圖5 特斯拉的電芯集成新技術(shù)

其他有關(guān)于電芯制造、正極和負(fù)極方面，特斯拉這次介紹的比較簡單，由于需要很長的時間才能完成，這里主要包括

1）電芯制造技術(shù)：干電極技術(shù)，傳統(tǒng)電極制備采用濕法工藝，特斯拉通過干電極技術(shù)將混合材料壓成膜，涂在極片上，實現(xiàn)10倍操作工序簡化。在電芯組裝線環(huán)節(jié)工藝優(yōu)化：連續(xù)生產(chǎn)，一條組裝線實現(xiàn)20GWh產(chǎn)能，單線產(chǎn)出增加7倍。還有化成分容環(huán)節(jié)工藝優(yōu)化和正極生產(chǎn)環(huán)節(jié)工藝優(yōu)化，這些生產(chǎn)技術(shù)光靠一頁介紹材料，真的無法做判斷，可能搞不好又會出現(xiàn)另一個電芯生產(chǎn)地獄。

2）負(fù)極材料：特斯拉在電芯材料負(fù)極技術(shù)上是圍繞硅負(fù)極來做的，使用高彈性材料抑制硅膨脹。重新進行硅負(fù)極設(shè)計，在硅表面用覆膜材料，通過涂層材料方式，1kwh成本只需要1美元，提升20%續(xù)航里程，成本貢獻下降5%。

3）正極材料：特斯拉采用的是高鎳材料，通過使用更高鎳材料，實現(xiàn)高能量密度、高續(xù)航，最終實現(xiàn)15%的成本下降。 需要注意的是，在這方面的探索，中日韓三個做鋰電較早的國家，是遇到了很大的挑戰(zhàn)的，很多工作并不是一蹴而就的，在這三個方向上，特斯拉做的事情更多的是從實驗室到中試，這里列舉的很多的數(shù)據(jù)都是基于紙面。電芯垂直整合需要大量的制造工藝人員，這個美國制造的電芯靠不靠譜，目前來說沒有底

小結(jié)：電池日延遲了幾個月，總體來說讓我們看到了特斯拉直面鋰電池瓶頸的勇氣，也給了自己的解決方案，想要打破目前的天花板目前是全世界所有汽車企業(yè)和電池企業(yè)在努力，特斯拉作為那個垂直整合的代表也給了我們不少的啟示特斯拉電池日講了什么？

原文標(biāo)題：特斯拉電池日講了什么？

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